高烈度区大挑臂桥墩抗震设计研究

高烈度区大挑臂桥墩抗震设计研究

周泽箭

广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州，510507

摘要：以黄河路（泰山路～东夏路）快速化升级改造工程为依托，针对系列标准跨桥梁，采用反应谱法和时程分析法对不同墩高和截面尺寸的双柱式大挑臂桥墩进行抗震设计。根据抗震设计结果，对高烈度区双柱式大挑臂桥墩的结构受力特征进行分析和总结，可为高烈度区双柱式大挑臂桥墩的设计和施工提供参考。分析结果表明：高墩采用调整墩柱截面及配筋率的延性抗震体系，矮墩采用设置减隔震支座的减隔震体系，能有效应对抗震作用[1]。

关键词：高烈度区预应力混凝土大挑臂隐式盖梁；延性抗震；减隔震

中图分类号： U442.5+5        文献标识码：A

0 引言

汕头近场区及邻近地区历史上曾发生过数次破坏性地震，以1918年南澳7.3级地震对工程场地破坏最大，地震烈度达Ⅷ~Ⅸ度。汕头近场区及邻近地区是破坏性地震的多发区，地震重复性高，因此近场区未来仍存在发生中强以上地震的可能性。

图1 汕头地区近场区地震构造图

本文以汕头市黄河路（泰山路～东夏路）快速化升级改造工程为依托，针对系列标准跨桥梁进行抗震分析，高墩采用调整墩柱截面及配筋率的延性抗震体系，矮墩采用设置减隔震支座的减隔震体系。通过对这两种体系下大挑臂桥墩的受力特征进行分析，对该类型桥墩的设计和施工提供参考。

1 项目概况

黄河路高架桥是为保持黄河路行车速度、保障行车舒适性、节约时间成本而设置的沿黄河路的高架桥。其跨越嵩山路、衡山路、天山路、华山路等四个重要路口，桥跨布置为7*31.2+36.5+26.2+2*31.2+

3*26.2+11*31.2+26.2+36.5+2*26.2+7*31.2+40.1+56+40.1+8*31.2+2*26.2+31.2+36.2+6*31.2+36.5+7*31.2m，桥梁长度2051.5m（含桥台侧墙长度），具体设计指标如下：

1）桥梁设计荷载：城-A级；

2）桥梁宽度：26.7m；

3）车道布置：双向六车道；

4）设计基准期：100 年；

5）设计安全等级：一级；

6）地震动峰值加速度：0.20g；

7）项目场地地震烈度：Ⅷ度。

上部结构：装配式预应力砼小箱梁、钢-混组合梁，桥面连续；

图2 30m小箱梁跨中断面示意图(单位:cm)

图3 56m跨径钢混组合梁跨中断面(单位:cm)

下部结构:桥墩为双柱墩、门架墩，桥台为挡土台，桩基为钻孔灌注桩基础；桥墩均采用普通板式橡胶支座。

图4标准段桥墩结构示意图

图5 框架段桥墩结构示意图

2 抗震设计目标及原则

桥梁抗震的目标是保护人民生命和财产的安全、降低结构物的地震破坏，尽量减少经济损失。

根据《城市桥梁抗震设计规范》(以下简称抗震规范)的第3.1.1条，本桥抗震设防分类为乙类。

抗震规范第3.1.2条规定的设防标准为：E1地震作用下，震后立即使用，结构总体反应在弹性范围，基本无损伤；E2地震作用下，经抢修可恢复使用，永久性修复后恢复正常运营通车，有限损伤。

根据本项目“地质勘察报告”，桥位区地震动峰值加速度为0.20g。项目区抗震设防烈度为8度，乙类桥梁的抗震措施设防烈度按提高一度的要求为9度。

3 场地设计地震动参数

3.1 设计地震动峰值加速度和反应谱参数的确定

场地地震动参数中加速度反应谱一般以规准化形式表示，标准反应谱形式如下式所示。

图6 水平向设计加速度反应谱

根据波速计算结果，场地区波速20m范围内剪切波速＜150m/s，场地内覆盖层＜50m，建筑场地类别划分为Ⅲ类。软土全场地分布，划分为对建筑抗震不利地段。调整后项目场地区地震动加速度反应谱特征周期为0.55s。

3.2 设计加速度时程

根据工程结构抗震设计的要求，以设计地震动加速度反应谱为目标谱，设计地震动峰值加速度为目标峰值加速度，获得工程场地50年超越概率为10%、2%和100年超越概率为63%的设计加速度时程，参数值如下表所示。

表1  不同概率水平的设计地震动峰值加速度和加速度反应谱参数值（地表、水平向、阻尼比5%）

图7所示为两级设防水准下的场地水平设计地震动反应谱，为进行非线性时程分析，根据场地设计反应谱拟合人工时程波，图8、图9所示为E1和E2地震作用下三条波的其中一个样本。

图7 水平向设计加速度反应谱

图8 E1地震作用时程样本

图9 E2地震作用时程样本

4建模要点

根据《城市桥梁抗震设计规范》第6.1节，本桥为非规则桥梁，对于采用A类抗震设计方法，E1、E2作用均可采用MM/TH分析计算方法，本项目抗震计算中，运用Midas/Civil 2019采用多阵型反应谱法和时程分析相结合的方法进行计算分析。

全桥考虑土-下部结构-上部结构的共同协同工作抵抗纵、横桥向地震作用。减隔震支座的有效刚度根据实际的时程结果迭代求得，有效刚度即为滞回曲线最远端点与起点连线的斜率；E2地震下截面抗力按照约束混凝土模型及双折线钢筋模型通过Midas Civil计算截面的弯矩—曲率曲线。

黄河路高架桥全线墩高变化幅度较小，桥址场地较为平坦，相邻联墩高差距不大，因此各联桥均为规则结构，取计算模型左右各一联桥梁结构作为边界条件，上部结构采用31.2m跨径小箱梁，建立矮墩、桥台段和高墩段的分析模型。

主梁、桥墩采用空间梁单元模拟，二期恒载模拟为附加分布质量，承台模拟为质点，桩基采用等效土弹簧模拟桩土相互作用[4]。

全桥模型如图10所示。

图10 全桥模型

5效应结果及构件截面验算

在E1地震作用下，大挑臂桥墩的墩柱和桩基都应该处于弹性范围内，其地震效应产生的弯矩应该小于初始屈服弯矩。在E2地震作用下，大挑臂桥墩的墩柱可产生弹塑性变形，但其地震效应产生的弯矩应小于等效屈服弯矩。

本次计算的矮墩为1#～4#、61#～64#墩，墩高均小于2.5倍柱径，采用弹性抗震设计。其余桥墩采用延性抗震设计。全桥均采用普通板式橡胶支座时，验算结果见下图。

图11 能力需求比（全桥采用板式橡胶支座）

根据《城市桥梁抗震设计规范》

（CJJ166-2011）第7.3.1条、7.3.2条规定，对于矮墩应按现行行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62相关规定验算验算桥墩抗弯和抗剪强度。

对上图结果进行分析，当矮墩采用板式橡胶支座时，墩柱和桩基在E2地震作用下的强度不能满足要求。

对矮墩区采用高阻尼减隔震支座替换板式橡胶支座，再次验算后分析结果见下图。

图12 能力需求比（全桥采用高阻尼减隔震支座）

从结果可以看出，当矮墩采用高阻尼减隔震支座的时候，横桥向地震响应较采用板式橡胶支座有明显优势，墩身和基础在两级设防地震作用下均处于弹性工作的状态。

7 结论

主要研究结论如下：

（1）高烈度区预应力混凝土大挑臂隐式盖梁城市高架桥采用延性抗震体系较容易满足E1地震下的强度需要。

（2）在E2地震作用下，当矮墩采用普通板式橡胶支座时，墩柱和桩基在E2地震作用下的强度很难满足要求。

（3）在E2地震作用下，当矮墩采用高阻尼减隔震支座的时候，横桥向地震响应较采用普通板式橡胶支座有明显优势，墩身和基础在两级设防地震作用下均处于弹性工作的状态。

（4）大挑臂桥墩的盖梁，由地震引起的面外弯矩较大，需在隐式盖梁两侧端部配置双层钢筋，以满足结构的抗震性能需求。

（5）对于高烈度区的城市高架桥，矮墩区宜采用减隔震体系，并对桩基础和墩柱钢筋进行加强。

参考文献

[1]管仲国,沙丽新，李建中.城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析[J].桥梁建设,2014,44(2):78-84.

[2]CJJ 166-2011,城市桥梁抗震设计规范[S].

[3]JTG/T B02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

（JTG/T B02-01-2008,Guidelines for Seismic Design of Highwany Bridges[S].）

[4]CJJ 166-2011,城市桥梁抗震设计规范[S].(CJJ 166-2011,Code for Seismic Design of Urban Bridges[S].)

[5]葛继平,管仲国,李建中.群桩基础桥梁抗震分析简化模型[J].结构工程师,2006,22(6):64-67.

[6]范立础,王志强.桥梁减、隔震设计 [M].北京:人民交通出版社,2001.